無取向硅鋼中非金屬夾雜物控制關鍵技術
隨著我國電力電機行業的迅猛發展,對資源和能源的高效利用提出了更高的挑戰。無取向硅鋼是廣泛的用于電機和發電機鐵心的軟磁材料。鐵心材料的優異能夠直接影響電機和發電機的效率和能耗。影響無取向電工鋼磁性能的主要因素有雜質元素的含量、夾雜物的種類尺寸含量、織構類型、晶粒尺寸、表面狀態等因素。由于受限于目前所掌握的煉鋼方法的不足,尚不能完全將鋼中的 C、O、S、N 等元素去除。這些夾雜物和析出物在脫氧過程、鋼液凝固過程以及軋制熱處理過程形成和轉變。這些殘留在鋼中的元素最終大部分以碳化物、氧化物、硫化物、氮化物以及他們之間的復合夾雜物形式存在。一方面,這些夾雜物和析出物會在無取向硅鋼磁化過程中阻礙磁疇壁的移動,影響磁性能;另一方面,在再結晶退火過程中,這些夾雜物和析出物還會促進不利取向織構形核和阻礙晶粒長大,從而惡化無取向硅鋼磁的組織,惡化磁性能。因此如何控制這些夾雜物的種類、分布、尺寸等因素對于減小這些夾雜物和析出物對無取向電工鋼的磁性能的影響就顯得尤為重要。(1)不同化學成分體系無取向硅鋼的關鍵夾雜物和析出物預測。無取向硅鋼作為一種功能材料,其最關鍵的性能指標是磁性能,包括鐵損和磁感應強度。化學成分體系是影響其磁性能的最關鍵因素。由于不同牌號,不同生產工藝生產出的無取向硅鋼,其中的夾雜物和析出物的種類、形態、尺寸和數量相差很大。而不同種類的夾雜物和析出物的控制方法又不相同。本項目中通過大量分析不同性能和不同成分體系的無取向硅鋼樣品、采用透射電鏡、場發射掃描電鏡、ASPEX 自動掃描電鏡對無取向硅鋼成品中的微米、亞微米和納米級夾雜物和析出物進行定量分析。并通過商業熱力學計算軟件 FactSage 對不同成分體系下夾雜物和析出物種類進行預測分析。從而能夠預測不同成分體系的無取向硅鋼中應該控制的關鍵夾雜物和析出物種類。(2)無取向硅鋼中鈣處理控制硫化物技術。鈣處理是鋼鐵工業中最常用的改性夾雜物的手段之一。但是通常來說,向鋼中加鈣是為了將固態的 Al 2 O 3 改性為液態的鈣鋁酸鹽,以避免水口結瘤現象的發生。但是同時鈣和硫具有很強的結合能力,可以與硫元素反應生成 CaS,這樣可以避免在無取向硅鋼中生成細小的(Mn,Cu)S,影響磁性能。由于鈣加入鋼中首先會和鋼中的 Al 2 O 3 反應,過量的鈣才會和硫反應。鋼中的氧含量的多少影響著向改性硫化物所需要的鈣含量。我們通過熱力學分析和實驗發現,在降溫過程,鈣鋁酸鹽還會和鋼中的溶解鋁和溶解硫反應,生成 Al 2 O 3 +CaS。通過理論分析,確定了能夠完全將硫控制的最少加鈣量。圖 2 所示為不同的 Ca/S 對鐵損的影響,通過合適的加鈣量,可以有效減少細小(Mn,Cu)S 的數量,從而改善磁性能。但是值得指出的是也要盡可能在鋼液下去除生成的鈣鋁酸鹽,因為大尺寸的夾雜物會在再結晶過程誘導{111}織構生成,從而對磁性能不利。(3)無取向硅鋼中鈰處理控制硫化物技術。稀土元素和氧、硫也具有的很強的結合能力。因此也可以用來改性鋼中的非金屬夾雜物。但是,稀土也面臨著與鈣改性夾雜物同樣的問題,既可以和鋼中的硫反應,還可以和氧元素反應。而目前對于稀土改性夾雜物的研究都停留在定性的解釋上。本研究通過實驗室實驗,詳細的研究了不同鈰含量和氧含量對鈰改性夾雜物和控制無取向硅鋼中細小硫化物的影響。最終建立了稀土改性夾雜物成分預測模型,此模型的預測結果與實驗結果一致。根據此模型結果,可以得出圖 3所示不同 T.Ce/T.S.對固硫率的影響。當 T.Ce/T.S.>2.9 時,可以有效控制細小的硫化物。
北京科技大學
2021-04-13